Warum Industrie 4.0 keine Revolution ist, 3D-Druck aber schon.

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Industrie 4.0 ist seit 7 Jahren in aller Munde. Von der Bundesregierung 2011 geprägt, steht der Begriff für die vierte Industrielle Revolution. Aber ist sie das wirklich?

Oder steht Industrie 4.0 „nur“ für eine beschleunigte Optimierung von Prozessen und Wertschöpfungsketten, die bereits in den 70’er und 80’er Jahren begonnen und mit neuen Technologien wie z.B. Blockchains jetzt so richtig Fahrt aufgenommen hat? Müssen wir Industrie 4.0 also nicht eher als evolutionären Meilenstein verstehen? Und verdienen nicht vielmehr die Additiven Fertigungsverfahren mit 3D-Druckern das Prädikat „Revolution“, da sich mit ihnen fundamental die Art und Weise ändert, wer Produkte, an welchem Ort und zu welchem Zeitpunkt herstellt? Immer mehr neue, schnelle, preisgünstige, leistungfähige 3D-Drucker drängen auf den Markt und beschleunigen eine Entwicklung, deren Tragweite noch nicht überall verstanden wird.

Dieser Artikel beschäftigt sich im ersten Teil mit dem Thema „Warum Industrie 4.0 nicht die Revolution ist, sondern die Additive Fertigung (3D-Druck)“  und im zweiten Teil mit der Frage, „Wie und warum die Revolution in der Fertigung derzeit mit neuen 3D-Technologien so richtig Fahrt aufnimmt.“

Warum nicht Industrie 4.0, sondern die Additive Fertigung (3D-Druck) das Prädikat „Revolution“ verdient

Für die erste industrielle Revolution, die vor mehr als 200 Jahren begann, gilt die Erfindung der Dampfmaschine als Auslöser. Für die zweite war es die Einführung der Fließbandproduktion. Der Einsatz von computergestützten Maschinen und Industrierobotern steht für die 3. Revolution. Für die Industrie 4.0 als viertem Ereignis dieser Art soll die Verzahnung der Produktion mit moderner, über das Internet vernetzter Informations- und Kommunikationstechnik das Kennzeichen sein.

Laut Wikipedia bilden intelligente und digital vernetzte Systeme die Grundlagen für Industrie 4.0. Dazu zählten leistungsfähige Prozessoren, digitale Sensoren und die Echzeit-Vernetzung kompletter Prozesse. Mit ihrer Hilfe soll eine selbst organisierte Produktion möglich werden: „Menschen, Maschinen, Anlagen, Logistik und Produkte kommunizieren und kooperieren in der Industrie 4.0 direkt miteinander. Durch die Vernetzung soll es möglich werden, nicht mehr nur einen Produktionsschritt, sondern eine ganze Wertschöpfungskette zu optimieren. Das Netz soll zudem alle Phasen des Lebenszyklus des Produktes einschließen.“ (siehe Wikipedia)

Das Beratungshaus Deloitte sieht die Unternehmen zur schnellen Umsetzung der Industrie 4.0 gezwungen. Erforderlich würde die schnelle Einführung durch den Trend zur Individualisierung und zu einer schnell wechselnden, also volatilen Nachfrage, auf die die Unternehmen mit der Flexibilisierung der Produktion und neuen Geschäftsmodellen reagieren sollten.

3D-Druck hilft der Industrie 4.0 auf die Sprünge

Flexibel, dynamisch, digital – das sind die die leitenden Prinzipien der neuen Produktion nach Deloitte, die direkt bis zum Endverbraucher durchschlagen sollen. Bestimmte Artikel könnten Kunden bereits beim Einkauf in bisher nicht gekannter Weise nach ihren individuellen Wünschen personalisieren. Damit einher gingen in der Smart Factory eine optimierte Maschinennutzung und ein geringerer Verbrauch von Energie. Mithilfe modernster Sensoren würde der Verschleiß selbsttätig überwacht und die Wartung perfektioniert: Industrie 4.0 bedeute höchste Effizienz aller Systeme dank Predictive Maintenance – mit dem Ziel „zero downtime“.

Ein Beispiel dafür ist laut Deloitte die Individualisierung von Schuhen durch Online-Konfiguratoren im Internet.

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Sohlen für Adidas Laufschuhe werden jetzt mit 3D-Druckern gefertigt. Foto © Adidas


Nur die Additive Fertigung mit 3D-Druckern ermöglicht Losgröße 1
Sogar „Losgröße 1“ sei jetzt für die Industrie machbar. Noch vor kurzem wäre ein solcher Ansatz unwirtschaftlich gewesen. Doch umfassende Digitalisierung und intelligente Maschinen ermöglichten inzwischen eine granulare Fertigung von Werkstücken bis hin zu Einzelexemplaren, etwa mit Hilfe von 3D-Druckern für individuelle Produkte. (vgl. Deloitte, Industrie 4.0: Meilenstein für die Produktion – und mehr!)

Die beiläufige Erwähnung von 3D-Druck in der Deloitte-Argumentation wird dem Gesamtzusammenhang nicht gerecht. Richtig müsste es heißen:
Nur 3D-Drucker versetzen Unternehmen in die Lage, individuelle Massenfertigung (Losgröße 1) zu realisieren.
So lange die Unternehmen noch mit anderen Fertigungsverfahren, subtraktive (z. B. Fräsen) oder formgebende (z. B. Gießen), arbeiten, nutzt die ganze Flexibilisierung „drumherum“ nichts, bringen auch Sensoren und Vernetzung wenig im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit von Losgröße 1. Ein neues Werkzeug zu bauen, kostet Zeit und damit Geld. Die Rüstkosten und -zeiten steigen deutlich, wenn die Produktionsanlagen häufiger an individuelle Anforderungen angepasst werden müssen. Das Dilemma der traditionellen Produktionsweise bleibt: Die Optimierung der Maschinennutzung hilft nicht weiter, Werkzeuge und Maschinen brauchen Auslastung, um optimale Wirtschaftlichkeit zu erreichen. Dies war und ist der Grund, warum sich bis heute die Massenproduktion auf zentrale Standorte konzentriert. Motorräder zum Beispiel werden vom Hersteller BMW seit mehr als 50 Jahren in Deutschland nur noch an einem einzigen Standort, in Berlin, produziert. Betriebswirtschaftler sollte das nicht wundern, hat doch bereits Eugen Schmalenbach 1928 in seiner berühmten Wiener Rede auf die Natur und Wirkung der Fixen Kosten hingewiesen.

3D-Druck verändert die Gesetzmäßigkeiten der Massenproduktion

3D-Drucker waren zum Zeitpunkt der Wiener Rede noch nicht erfunden. Schmalenbach hat lange Recht behalten. Erst seit es die Möglichkeit gibt, Produkte generisch bzw. additiv ohne den Einsatz von Werkzeugen und anderen Maschinen zu fertigen, ist die wirtschaftliche Notwendigkeit zu hoher Auslastung und großen Stückzahlen aufgehoben. Beim Einsatz von 3D-Druckern dagegen stellt die Gleichartigkeit eines Produktes kein Kostenkriterium dar.

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Serienfertigung vs. Mass Customization:  Foto links: ©  Carlos Delgado, über Wikimedia Commons. Foto rechts: © Formlabs 

 

 

 

 

 

Auf der selben Bauplattform können ganz unterschiedliche Modelle gefertigt werden, ohne dass sich die Kosten pro Stück grundsätzlich ändern. Natürlich müssen auch 3D-Drucker abgeschrieben werden, wodurch fixe Kosten entstehen. Nur entsteht durch sie kein wirtschaftlicher Zwang, die Produktionskapazitäten mit in Serie gefertigten, gleichartigen Produkten auszulasten zu müssen.

Nicht Industrie 4.0 per se, sondern nur die Einführung von 3D-Druckern bietet die Chance auf Losgröße 1 und die wirtschaftliche Herstellung individueller Produkte. Die drei so bezeichneten früheren industriellen Revolutionen bezogen sich immer nur auf die Optimierung der eingesetzten subtraktiv arbeitenden Maschinen- und Werkzeuge bzw-. vor- und nachgelagerten Prozesse.

In diesem Sinne hat es bisher nicht vier, sondern nur eine einzige industrielle Revolution gegeben. man könnte diese insgesamt als 1. Phase industrieller Revolutionen zusammenfassen. Nach der Erfindung der Dampfmaschine wurden zwar enorme technische Fortschritte gemacht. Danach handelt sich aber um einen evolutionären Prozess, der die Massenproduktion auch für neue Produktinnovationen immer günstiger machte.
Als zweite Phase industrieller Revolution sollte die Additive Fertigung und der 3D-Druck bezeichnet werden, da sie individuelle Massenfertigung ermöglichen und die Art und Weise, wie, wo und wann, von wem Produkte hergestellt werden, fundamental verändert. (siehe Abbildung)

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Die Veränderungen durch 3D-Druck sind viel grundlegender als durch Industrie 4.0

Wie beschrieben kann der 3D-Druck der Industrie 4.0 auf die Sprünge helfen, um individuelle Massenfertigung oder Mass Customization, wie die Amerikaner sagen, einführen zu können. Nur gehen die Auswirkungen des 3D-Drucks  weit darüber hinaus. Jedes Industrieunternehmen muss die Frage der Fertigungstiefe neu stellen. Für Make-or-Buy Entscheidungen müssen jetzt weitere Alternativen in die Entscheidungsfindung einbezogen werden: Neben der Frage „Produziere ich selbst oder kaufe ich zu?“ treten die Optionen: „Ersetze ich die klassische Produktion einzelner Produkte durch Additive Fertigungsverfahren“ und  „Investiere ich selbst in 3D-Drucker oder nutze ich externe Dienstleister.“ Wer selbst 3D-Drucker anschafft, hat die Möglichkeit, mit diesen Produkte für viele weitere Märkte herzustellen. Hier deutet sich an, dass es einen komplexen Mix geben muss, der für alle einzelnen Produkte kostentechnisch den „Break-even-point“ der unterschiedlichen Fertigungsverfahren berücksichtigt.

Um noch einmal das Exempel „Motorrad“ zu strapazieren: Vor zwei Jahren überraschte die Airbus-Tochter Apworks mit dem Light-Rider, einem nur 35 Kilogramm schweren Elektromotorrad aus dem Metall-3D-Drucker. Wie erwähnt, war BMW 50 Jahr lang in Deutschland der einzige Produzent dieser Fortbewegungsmittel. Jetzt kommt ein Flugzeugbauer und produziert mit seinen 3D-Druck Kapazitäten 500 Exemplare.

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Bisher war es eine Domäne von Motorradherstellern. Jetzt fertigte Flugzeugbauer Airbus 500 Elektro-Motorräder mit 3D-Druckern. © Foto: APWorks

 

 

 

 

 

Das 3D-gedruckte Motorrad veranschaulicht die Tragweite der neuen Fertigungstechnologie im industriellen Kontext. Branchenfremde Anbieter können jetzt die Vielseitigkeit ihrer 3D-Drucker nutzen, um ganz neue Märkte zu erobern.  Und dabei beweist der 3D-Druck seine Stärken nicht nur durch die Fähigkeit zur individuellen Fertigung. Er gibt auch Designern und Konstrukteuren Formfreiheit, um Produkte besser zu machen. Der Light-Rider-Rahmen aus einer Aluminium Legierung wiegt nur 5 kg. 3D-Druck ermöglicht eine Ressourcen schonende Leichtbauweise für die Mobility-Branchen. Flugzeugbauer wie Airbus wissen das und sind nicht umsonst Pioniere der Additiven Fertigung. Etwas weiter gedacht, kann das erwähnte „Motorrad“ demnächst vom Händler um die Ecke gedruckt werden, maßgeschneidert auf die Körpermaße des Bikers. 3D-Druck ermöglicht die Fertigung von Produkten wann und wo sie gebraucht werden. Auf der internationalen Raumstation ISS, die über einen 3D-Drucker verfügt, hat jüngst ein Astronaut der NASA ein Werkzeug, das er benötige, einfach mal gedruckt.

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Das Werkzeug-Modell wurde von der NASA zur ISS „gebeamt“ und mit dem bordeigenen 3D-Drucker vor Ort gefertigt. © Fotos: NASA

Das Beispiel, das durch die Presse ging, zeigt: Lagerhaltung und lange Transportwege gehören der Vergangenheit an. 3D-Drucker ermöglichen Just-in-Time Fertigung. Und der Sportschuhhersteller Adidas bringt dank 3D-Druckern die Produktion zurück nach Deutschland: In seiner Speedfactory fertigt er individuelle Sohlen auf der Basis von 3D-Scans der Füße seiner Kunden. Womit wir wieder bei Losgröße 1 angelangt wären.

Diese massiven Veränderungen bedeuten einen gewaltigen Wandel für die Industrie, die Märkte und grundsätzlichen Wettbewerbsverhältnisse. Schon heute kann auf 3D-Modell-Plattformen wie Thingiverse oder MyMiniFactory aus Millionen von 3D-Modellen das geeignete ausgewählt, in Sekundenschnelle heruntergeladen und mit eigenem Drucker oder bei einem Dienstleister gefertigt werden. Einen Dienstleister kann man sich auf 3D-Druck-Plattformen wie 3Dhubs oder treatstock aussuchen, wo weltweit zehntausende 1-Mann-Betriebe und auch größere Unternehmen ihre 3D-Druck-Kapazitäten anbieten.  Das Schlagwort von der Demokratisierung der Produktion wird sich bewahrheiten, wenn die dynamische technologische Entwicklung rund um die Additive Fertigung weiter anhält, wenn 3D-Drucker laufend preisgünstiger, schneller und besser werden.

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